數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)及交付應(yīng)用研究

胡耀義 趙國洪 嚴(yán)紫含 李 烈

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售河北分公司, 河北 唐山 063000

0 前言

油氣田工程建設(shè)與生產(chǎn)運(yùn)行涵蓋了地下勘探與開發(fā)、地面建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行和檢維修的全過程,而工程設(shè)計(jì)的核心目的、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、方法和結(jié)果,均主要用于指導(dǎo)物理實(shí)體工程的建設(shè)與后期運(yùn)行管理[1-7]。隨著近年來企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切要求和工程設(shè)計(jì)工具的不斷更新發(fā)展,人們對面向智能油氣田建設(shè)市場的數(shù)字化交付要求也在不斷攀升。在此背景下,基于二三維數(shù)字化交付的全專業(yè)二三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的新設(shè)計(jì)理念正快速形成,設(shè)計(jì)成果在用于指導(dǎo)物理實(shí)體工程建設(shè)的同時(shí),面臨著智能油氣田數(shù)字孿生體建設(shè)和應(yīng)用的新課題[8-13],如何做好在此背景下的二三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)成果的交付及應(yīng)用,不僅成為工程設(shè)計(jì)公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展需要解決的迫切問題,也成為工程設(shè)計(jì)公司增強(qiáng)數(shù)字化交付能力的新訴求。

工程實(shí)踐中,需要對以下問題提出解決方案:1)通過二三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)輸出的成果,具備以電子形式進(jìn)行數(shù)字檔案交付的能力,但這種基于檔案的數(shù)字化交付能力無法適應(yīng)未來油氣田的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展;2)通過二三維協(xié)同設(shè)計(jì)形成的設(shè)計(jì)成果達(dá)到了建設(shè)物理實(shí)體工程的設(shè)計(jì)深度和要求,但建設(shè)期數(shù)字孿生體的交付是面向智能油氣田數(shù)據(jù)生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一;3)面向智能油氣田的數(shù)字化交付起于數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì),貫穿業(yè)務(wù)鏈和數(shù)據(jù)鏈,止于數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理生命周期的結(jié)束，這將對數(shù)據(jù)資產(chǎn)化的程度和管理深度提出新的要求;4)在工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目組織管理環(huán)節(jié),面向未來智能油氣田的二三維關(guān)聯(lián)交付要求,將對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的、方法和設(shè)計(jì)組織形式提出巨大挑戰(zhàn),且?guī)砉ぷ髁亢统杀镜脑黾印?/p>

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的與特點(diǎn)

1.1 目的

一次完整的油氣田工程設(shè)計(jì)通常由前期階段和設(shè)計(jì)階段構(gòu)成：前期階段一般指初步設(shè)計(jì)及以前組織開展的規(guī)劃、預(yù)可研、可研、初設(shè)等；設(shè)計(jì)階段通常指施工圖設(shè)計(jì)或詳細(xì)設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)等。每個(gè)設(shè)計(jì)階段都有特定的目的和任務(wù),由淺入深、由粗到細(xì),將一個(gè)工程的系統(tǒng)布局、總體方案、設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、工程量與投資、施工組織方法等[14-20]逐步且完整地呈現(xiàn)在決策者和參建者面前。盡管每個(gè)階段的目的、任務(wù)、組織方式、技術(shù)資源配置、使用的設(shè)計(jì)工具、參建單位都不同,但工程設(shè)計(jì)所有工作的交付成果都將建設(shè)一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的物理實(shí)體工程作為目標(biāo)。

1.2 特點(diǎn)

20世紀(jì)80年代興起并迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),將延續(xù)了幾十年的“手工設(shè)計(jì)(計(jì)算器計(jì)算)+人工制圖+人工描圖”的工作模式,轉(zhuǎn)變?yōu)榛趩我挥?jì)算機(jī)軟件的工程設(shè)計(jì),將絕大部分繁瑣的手工計(jì)算和人工制圖等工作交給計(jì)算機(jī)完成,提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。盡管如此,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仍屬于二維設(shè)計(jì)二維交付的初級階段。

20世紀(jì)90年代以來,隨著我國油氣田勘探與開發(fā)的井噴式發(fā)展和對外交流的擴(kuò)大,工程設(shè)計(jì)行業(yè)加快了設(shè)計(jì)工具的升級和優(yōu)化,工程設(shè)計(jì)公司逐步形成了AUTODESK、AVEVA和SP等為主導(dǎo)的三維設(shè)計(jì)體系,并形成了三維設(shè)計(jì)二維交付的成果交付特點(diǎn)。盡管設(shè)計(jì)單位在軟件配置完整性、基礎(chǔ)工作推進(jìn)程度、平臺深化應(yīng)用、人才結(jié)構(gòu)的快速轉(zhuǎn)化與培養(yǎng)、軟件定制與研發(fā)組織能力等方面存在一定差距,但總體而言,三維設(shè)計(jì)的組織是以部分專業(yè)參與的、部分項(xiàng)目實(shí)施的、部分專業(yè)之間協(xié)同的三維設(shè)計(jì)為主,成果交付仍面向物理實(shí)體工程建設(shè)與運(yùn)行,亦存在一定程度的數(shù)據(jù)交付。

2 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的目的與特點(diǎn)

2.1 目的

2017年末,中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司提出了一種“數(shù)字化/智能化油氣田業(yè)務(wù)鏈和縱向數(shù)據(jù)鏈的架構(gòu)模型”[10],其業(yè)務(wù)鏈包括勘探、鉆采、開發(fā)、地面建設(shè)工程和運(yùn)行過程的生產(chǎn)經(jīng)營管理業(yè)務(wù),數(shù)據(jù)鏈包括橫向數(shù)據(jù)流的傳遞和縱向數(shù)據(jù)流的傳遞。該模型中有兩項(xiàng)內(nèi)容與數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān):一是業(yè)務(wù)鏈中,設(shè)計(jì)、采購、施工及相關(guān)企業(yè)在智能油氣田產(chǎn)業(yè)鏈中的業(yè)務(wù)位置和數(shù)字化交付關(guān)系;二是數(shù)據(jù)鏈中,業(yè)務(wù)鏈的層級和逐步向上分層交付的路徑和目標(biāo)。通過該模型,可以找到各參建企業(yè)在智能油氣田建設(shè)中的業(yè)務(wù)鏈和數(shù)據(jù)鏈位置以及數(shù)字化交付系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu),并揭示出建設(shè)方的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用需求是決定產(chǎn)業(yè)鏈所有企業(yè)的數(shù)字化交付內(nèi)容、格式、方式和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵性因素,數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)也不例外。

2.2 特點(diǎn)

面向智能油氣田數(shù)字化交付的數(shù)字化設(shè)計(jì),是一種以“全專業(yè)二三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)”為基礎(chǔ)、滿足物理實(shí)體工程建設(shè)和運(yùn)行要求、有助于油氣田數(shù)據(jù)資產(chǎn)化管理、可推動油氣田數(shù)據(jù)生態(tài)與應(yīng)用生態(tài)形成的新的設(shè)計(jì)體系,其特點(diǎn)可總結(jié)如下。

1)站在橫向業(yè)務(wù)鏈數(shù)字化交付視角,數(shù)字化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣,居于工程建設(shè)的龍頭地位,其作用是交付設(shè)計(jì)成果、指導(dǎo)物理實(shí)體工程建設(shè)、推動數(shù)字化協(xié)同建設(shè)和建設(shè)期數(shù)字孿生體的形成和交付。

2)站在縱向數(shù)據(jù)鏈數(shù)字化交付視角,數(shù)字化設(shè)計(jì)與采購、施工、制造等企業(yè)一樣,居于智能應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈底層,是數(shù)據(jù)的制造者和提供者,所交付的數(shù)據(jù)范圍、內(nèi)容、格式、路徑要滿足數(shù)字化交付的要求，以及可視化、智能化應(yīng)用的數(shù)據(jù)需求。

3)在國家和行業(yè)尚未對數(shù)字檔案顆粒度及相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提出新的要求前,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)文件的電子版交付,是面向數(shù)字化交付的數(shù)字化設(shè)計(jì)成果交付的一個(gè)組成部分,但不是全部內(nèi)容。

4)工程設(shè)計(jì)公司數(shù)字化設(shè)計(jì)的交付范圍、內(nèi)容和深度,取決于面向智能油氣田數(shù)字化交付數(shù)據(jù)的顆粒度;同時(shí),工程設(shè)計(jì)公司數(shù)字化設(shè)計(jì)的跨平臺交付能力,取決于異構(gòu)平臺之間的適配能力和協(xié)同設(shè)計(jì)作業(yè)體系的完整性。

綜上,面向智能油氣田的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)一方面從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的單一維度向多維度方向發(fā)展,并從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程作業(yè)向協(xié)同作業(yè)轉(zhuǎn)變,且技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)向標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫方向演變;另一方面數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的單一專業(yè)軟件向軟件集成、數(shù)據(jù)同源與共享的平臺化方向發(fā)展,且數(shù)字化設(shè)計(jì)人才需要從參與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)技術(shù)人才向同時(shí)還具備計(jì)算機(jī)工程技術(shù)的人才方向傾斜。

3 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)及交付應(yīng)用的意義

智能油氣田建設(shè)是物理油氣田建設(shè)內(nèi)容的拓展和延伸,其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)的提質(zhì)增效,而這一過程中,數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)成果既是實(shí)現(xiàn)智能油氣田數(shù)字孿生體構(gòu)建的基礎(chǔ),也是保障智能油氣田生產(chǎn)運(yùn)行的條件,數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)及交付應(yīng)用的意義主要表現(xiàn)在以下方面。

1)二三維協(xié)同設(shè)計(jì)是全專業(yè)參與的協(xié)同設(shè)計(jì),該項(xiàng)工作將通過數(shù)字化手段為工程建設(shè)過程中解決錯(cuò)、漏、碰、缺等問題提供原始幾何模型、業(yè)務(wù)模型和數(shù)據(jù)模型,可有效提高油氣田建設(shè)的效率,降低油氣田建設(shè)的成本。

2)數(shù)字化設(shè)計(jì)使工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、建造團(tuán)隊(duì)和運(yùn)維團(tuán)隊(duì)具備了協(xié)同工作的基礎(chǔ),提供的高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)占據(jù)智能油氣田數(shù)據(jù)生態(tài)中的重要位置,尤其是全專業(yè)參與的、基于統(tǒng)一平臺的二三維一體化協(xié)同設(shè)計(jì),其成果是智能油氣田數(shù)據(jù)生態(tài)建設(shè)的重要原生數(shù)據(jù)。

3)基于數(shù)字化全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)成果和數(shù)據(jù)編碼,實(shí)現(xiàn)氣田設(shè)計(jì)、采購、施工地面建設(shè)工程橫向業(yè)務(wù)鏈的貫通,形成設(shè)計(jì)、采購、施工三位一體的數(shù)字化協(xié)同建造,將為智能油氣田建設(shè)提供高質(zhì)量的原生數(shù)據(jù),并交付建設(shè)期數(shù)字孿生體。

4)建設(shè)期數(shù)字孿生體加載生產(chǎn)運(yùn)行(含檢維修)仿真模型、業(yè)務(wù)模型和數(shù)據(jù)后,將成為智能油氣田運(yùn)行期的數(shù)字孿生體,其成果可實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測物理實(shí)體對象的狀態(tài),并通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對象的行為。

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)信息是數(shù)字化交付的重要組成部分,智能油氣田數(shù)字孿生體的構(gòu)建和應(yīng)用是數(shù)字化交付的本質(zhì)。數(shù)字孿生體構(gòu)建的核心是實(shí)現(xiàn)幾何模型、仿真模型、業(yè)務(wù)模型和數(shù)據(jù)模型的融合,其目標(biāo)指向油氣田的生產(chǎn)優(yōu)化和智能決策,且體現(xiàn)油氣田的全生命周期管理過程信息,保證物理油氣田信息與數(shù)字孿生體信息的一致,這意味著數(shù)字孿生體不應(yīng)該僅是物理實(shí)體的數(shù)字鏡像,更要實(shí)現(xiàn)對于物理實(shí)體的反向驅(qū)動,成為對物理實(shí)體全面感知、主動管理、業(yè)務(wù)協(xié)同、趨勢預(yù)測和智能決策的載體。

4 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)及交付應(yīng)用的重點(diǎn)

數(shù)字化技術(shù)催生了企業(yè)發(fā)展的新業(yè)態(tài)、新模式,已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要驅(qū)動力和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎。數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展是油氣工業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢,而基于數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的交付應(yīng)用是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)工作。由于面向智能油氣田數(shù)字化交付的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)在目的、范圍、內(nèi)容、深度、軟件工具選擇、數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)組織方法等方面均發(fā)生了相應(yīng)變化,工程設(shè)計(jì)公司的數(shù)字化設(shè)計(jì)規(guī)劃與組織也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整和適配。

1)基于數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)目的開展業(yè)務(wù)規(guī)劃和體系建設(shè),包括設(shè)計(jì)管理體系、工藝設(shè)計(jì)體系、設(shè)計(jì)計(jì)算體系、三維模型設(shè)計(jì)體系、材料管理體系和成果交付體系等。各體系的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、優(yōu)化和深化應(yīng)用需以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向、以軟件為基礎(chǔ)、以交付為目的進(jìn)行總體布局和建設(shè)。

2)基于數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)目的構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施與支撐環(huán)境,包括軟件部署和取用方法、硬件環(huán)境、數(shù)據(jù)庫(標(biāo)準(zhǔn)庫、知識庫、編碼庫、模型庫、模板庫、元件庫、支吊架庫等)及配套支撐條件等,需建立在以軟件、知識和數(shù)據(jù)為核心的協(xié)同環(huán)境之上。

3)全專業(yè)參與的二三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)意味著所有專業(yè)設(shè)計(jì)工具的統(tǒng)一化和體系化,以及大量的專業(yè)庫表標(biāo)準(zhǔn)化和IT定制,同時(shí)設(shè)計(jì)工具的改造和變化也帶來了設(shè)計(jì)從業(yè)者適應(yīng)性與用工成本再評估的問題。

4)全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的組織包括設(shè)計(jì)各專業(yè)之間業(yè)務(wù)的協(xié)同和數(shù)據(jù)的協(xié)同。其挑戰(zhàn)在于,這是一種全新的生產(chǎn)組織關(guān)系,需要對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)組織模式進(jìn)行重構(gòu),重構(gòu)過程又是一種基于IT的實(shí)踐,需要提高企業(yè)軟件開發(fā)能力和應(yīng)用水平。

5)與以往傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式相比,數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)大大減少了中間提交資料的環(huán)節(jié),使得設(shè)計(jì)人員在統(tǒng)一的環(huán)境、平臺和標(biāo)準(zhǔn)下作業(yè),確保了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性、時(shí)效性和高質(zhì)量。數(shù)字化設(shè)計(jì)工作的項(xiàng)目策劃和實(shí)施落實(shí),需體現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)面向智能油氣田的數(shù)字化交付。

6)隨著數(shù)字化油氣田向智能油氣田的延伸和發(fā)展,不僅數(shù)字化交付的內(nèi)涵發(fā)生了深刻改變,而且數(shù)字化交付的目標(biāo)、范圍和任務(wù)也發(fā)生了轉(zhuǎn)移,新形勢下的數(shù)字化交付應(yīng)解決交付目標(biāo)、范圍和規(guī)則的一致性問題。

全專業(yè)二三維協(xié)同設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的高效應(yīng)用和價(jià)值傳遞,以滿足工程建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備管理、安全與應(yīng)急管理等業(yè)務(wù)的提質(zhì)增效。而設(shè)計(jì)成果的使用方式直接決定了數(shù)據(jù)潛在價(jià)值釋放與應(yīng)用用戶的體驗(yàn)。在屬性數(shù)據(jù)交付層面,需要交付結(jié)構(gòu)化的,可直接被數(shù)字化交付平臺識別,與數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)保持一致的可靠數(shù)據(jù);在文檔數(shù)據(jù)交付層面,既需要考慮檔案交付,也要關(guān)注檔案數(shù)據(jù)交付的碎片化問題,緊跟檔案管理對數(shù)據(jù)形式要求發(fā)展的前瞻性和可用性;在模型數(shù)據(jù)交付層面,要綜合考慮數(shù)據(jù)資產(chǎn)化、數(shù)字孿生體等對數(shù)字化設(shè)計(jì)模型精度、模型解析及復(fù)用，以及對數(shù)據(jù)二三維關(guān)聯(lián)交付的規(guī)范性、完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性問題。

5 結(jié)論

1)沒有三維模型就沒有數(shù)字化，沒有數(shù)字化就沒有智能化,發(fā)展全專業(yè)二三維關(guān)聯(lián)交付數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)能力,需要兼顧協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提升和協(xié)同設(shè)計(jì)成果交付水平的提升,并與IT配套技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

2)面向智能油氣田數(shù)字化交付的二三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì),既是物理實(shí)體工程建設(shè)的引領(lǐng)者,也是油氣田智能管理的高質(zhì)量數(shù)據(jù)提供者之一,數(shù)字化交付既要面向檔案交付,又要面向智能油氣田的應(yīng)用。

3)全專業(yè)二三維關(guān)聯(lián)交付協(xié)同設(shè)計(jì)成果交付的三維模型可作為數(shù)字孿生體幾何模型,二維數(shù)據(jù)可作為數(shù)字孿生體幾何屬性。數(shù)字孿生體的應(yīng)用可構(gòu)建基于過程信息共享的協(xié)同建設(shè)機(jī)制,促進(jìn)工程建設(shè)質(zhì)量和效率的提升。